密封锁定组件的制作方法

1.本发明涉及一种用于锁定套管端部和承窝端部之间的接头的锁定插入件，
2.所述承窝端部包括锚定槽，锚定槽由倾斜表面和前表面界定，倾斜表面和前表面之间形成有连接凹部，并且倾斜表面和前表面之间形成有小于180
°
的角度，
3.锁定插入件包括：
[0004]-头部，和
[0005]-包括至少第一接合齿的脚部，第一接合齿适于夹持套管端部的外表面，
[0006]
头部包括径向突起。
[0007]
锁定插入件特别适用于两个铸铁管道的密封和锁定连接。


背景技术：

[0008]
ep-a-526 373描述了一种复合垫圈，该复合垫圈包括密封主体和弹性材料的锚定珠以及嵌入在锚定珠中的多个刚性材料的锁定插入件。
[0009]
每个锁定插入件在其在套管端部和承窝端部之间的偏心运动期间的倾斜度是套管端部的外直径和承窝端部的内直径之间的间隙的函数。插入件在套管端部上的夹持引起反作用力，该反作用力在中间方向上的倾斜角根据组装好的套管端部之间存在的间隙而变化。
[0010]
相对于径向方向测得的反作用角越大，锁定件对流经组件的流体的内部压力的阻力就越大。另一方面，反作用角越低，插入件在套管端部的外表面上的夹持越好。事实上，如果反作用角太大，在按压时，插入件的齿可能没有夹持套管端部，并且可能滑过套管端部，导致锁定不良。
[0011]
在压力下具有不良阻力的风险对于反作用角自然低的最大间隙是关键的，而插入件的不良夹持风险对于反作用角自然高的最小间隙是关键的。
[0012]
因此，锁定插入件相对于套管端部和承窝端部的位置必须通过套管端部和承窝端部的锚定槽之间的制造公差来限定，以实现任何允许的间隙。然而，在允许的公差范围内，特别是朝向最大间隙的公差范围内，ep-a-526 373的锁定插入件占据的位置使得当管道受到被输送的流体的压力时，相对于径向方向的反作用力角相对较低，这需要使用大量的插入件来减小单独采用的每个插入件上的锁定力，从而避免在最高允许压力下刺穿套管端部。
[0013]
从fr 2 966 554或wo201256163中也已知一种锁定插入件，不过，该锁定插入件特别是在朝向最大间隙时，相对于径向方向呈现相对较低的反作用角，这也需要大量的锁定插入件以避免在最高压力下刺穿套管端部的风险。
[0014]
此外，对于给定的管道厚度，锁定管状接头的性能取决于插入件的数量和插入件在套管端部管壁上的进入角，换句话说，在中间方向上的倾斜角：进入角越大，冲压力或穿孔力越大，并且插入件的数量必须越多，以实现期望的耐压性能。
[0015]
例如，对于根据en 545的标称直径为dn200和压力等级为c40的铸铁管道，有必要
使用根据fr 2 966 554中描述的配备有18个插入件的复合密封垫圈，以实现所需的性能，特别是关于耐压性。


技术实现要素：

[0016]
因此，本发明的一个目的是设计一种锁定插入件和相应的管状接头，该管状接头使得插入件能够在套管端部上的良好夹持以及锁定接头的良好耐压性，同时实现制造经济性。
[0017]
密封件的成本主要与插入件的数量成比例。因此，本发明的目标是一种锁定插入件，该锁定插入件使得能够以减少数量的锁定插入件在套管端部和承窝端部之间具有足够的夹持。
[0018]
为此，根据本发明的锁定插入件使得能够实现相对小的进入角。
[0019]
本发明的另一个目的是优化插入件在套管端部上的夹持的可靠性和锁定耐压性之间的折衷。
[0020]
为此，本发明的目的在于如上所述的锁定插入件，其特征在于，头部包括止动齿，该止动齿适于在脚部夹持套管端部的外表面时施加到连接凹部。
[0021]
根据特定实施例，锁定插入件包括以下特征中的一个或多个：
[0022]-根据侧视图，止动齿的张角在35
°
至55
°
之间，特别是在40
°
至50
°
之间，优选地在42
°
至47
°
之间；
[0023]-止动齿的曲率半径小于1mm，优选地小于0.5mm；
[0024]-根据侧视图，止动齿、第一接合齿和径向突起在止动齿、第一接合齿和径向突起之间形成接合角，接合角在30
°
至50
°
之间，优选地在35
°
至45
°
之间；
[0025]-根据侧视图，第一接合齿、止动齿和径向突起在第一接合齿、止动齿和径向突起之间形成邻接角，邻接角在55
°
至70
°
之间，并且优选地在60
°
至70
°
之间；
[0026]-根据侧视图，止动齿和第一接合齿通过凸形或直线形轮廓连接，特别是通过包括两条直线或由两条直线组成的轮廓连接；以及
[0027]-根据侧视图，止动齿和径向突起通过凹形或直线形轮廓连接，特别是通过包括单个凹形部分的凹形轮廓连接。
[0028]
本发明的目的还在于一种用于密封和锁定组件的复合密封垫圈，该复合密封垫圈在第一管道元件的套管端部和第二管道元件的承窝端部之间，该复合密封垫圈包括
[0029]-弹性材料的环，该环根据中心轴线延伸，具有垫圈主体和锚定珠，以及
[0030]-至少一个锁定插入件，该至少一个锁定插入件至少部分地嵌入垫圈主体中，
[0031]
其特征在于，每个锁定插入件是如上所述的插入件，头部是径向外头部，至少部分地嵌入垫圈主体中，并且旨在延伸到承窝端部的锚定槽中，并且脚部是径向内脚部，旨在压靠在套管端部上。
[0032]
根据特定实施例，密封件包括以下特征中的一个或多个：-锚定珠由硬度大于垫圈材料的硬度的材料制成。
[0033]
本发明还具有一种密封和锁定的组件，该组件包括第一管道构件的套管端部、第二管道构件的承窝端部、以及垫圈，该垫圈是如上所述的复合垫圈。
[0034]
根据特定实施例，所述组件包括以下特征中的一个或多个：
[0035]-承窝端部包括锚定槽，锚定槽由底表面、倾斜表面和前表面界定，底表面特别地相对于中心轴线同轴地延伸，
[0036]
倾斜表面和前表面在倾斜表面和前表面之间形成连接凹部并形成小于180
°
的角度，并且
[0037]
止动齿和径向突起以这样的方式布置，即对于在制造公差范围内的承窝端部的底表面和套管端部的外表面的任何直径，并且在子午线横截面视图中，锁定插入件的止动齿支撑在连接凹部中；
[0038]-连接凹部的曲率半径约为1mm，优选地小于0.5mm；
[0039]-止动齿的曲率半径小于连接凹部的曲率半径；
[0040]-前表面由承窝端部的入口套环形成，前表面相对于中心轴线以至少80
°
的角度延伸；
[0041]-倾斜表面轴向和径向地布置在底表面和前表面之间，倾斜表面相对于中心轴线具有30
°
至60
°
之间的倾斜度；以及
[0042]-对于在制造公差范围内的底表面和外表面的任何直径，在用作对在套管端部上夹持插入件的反作用力的支撑的线和垂直于中心轴线的平面之间测得的反作用角(ε)在20
°
和45
°
之间。
附图说明
[0043]
根据仅以示例方式给出并参照附图作出的以下描述将更好地理解本发明，在附图中：
[0044]
[图1]图1是在制造根据本发明的锁定组件之前，两个管道和插入在这两个管道之间的复合垫圈的组件在子午线截面中的半视图；
[0045]
[图2]图2是根据本发明的垫圈的子午线横截面图；
[0046]
[图3]图3是根据本发明的组件的一部分的子午线横截面图，其中，承窝端部和套管端部在它们之间限定出最小间隙，
[0047]
[图4]图4是根据本发明的组件的一部分的子午线横截面图，其中，承窝端部和套管端部在它们之间限定出最大间隙，
[0048]
[图5]图5是根据本发明的组件的一部分的子午线横截面图，承窝端部和套管端部在它们之间限定出中间间隙，以及
[0049]
[图6]图6是根据本发明的组件的一部分的子午线横截面图，其中，示出了当套管端部插入到承窝端部中时的承窝端部和套管端部。
具体实施方式
[0050]
图1示出了根据本发明的密封和锁定组件，由总的附图标记2表示。
[0051]
组件2包括与第一管道6成一体的套管端部4或凸形端部、与第二管道10成一体的承窝端部8或凹形端部、以及复合垫圈12。
[0052]
组件2沿着中心轴线x-x延伸。在下文中，术语“径向地”、“轴向地”、“周向地”和“子午线”将相对于该轴线使用。术语“近侧”是指轴向靠近承窝端部的入口的位置，术语“远侧”是指轴向远离入口并朝向承窝端部的内部的位置(参见下文)。
[0053]
该组件限定了套管端部4插入承窝端部8的方向i。
[0054]
套管端部4包括直径为d的圆柱形外表面20，该圆柱形外表面具有入口倒角22。套管端部4制造成具有直径公差，使得实际直径d可以介于最大外直径d
最大
和最小外直径d
最小
之间。直径d
最大
和直径d
最小
在图1中以混合线显示。
[0055]
承窝端部8从承窝端部入口到底部沿轴向连续地包括入口套环30、环形锚定槽32、阶梯部分34和接纳腔36，该接纳腔适于以不约束的方式接纳套管端部4。
[0056]
入口套环30界定入口表面38，该入口表面是直径为dise的圆柱形表面(参见图3)。
[0057]
环形锚定槽32由入口套环30的环形前表面40、倾斜表面42、具有轴线x-x的圆形横截面的圆柱形底表面44以及台阶部分34的前表面46界定。
[0058]
前表面46逆着方向i朝向入口套环30定向。
[0059]
通常，前表面40相对于中心轴线x-x以至少80
°
的角度延伸，并且具有沿方向i定向的轴向分量。优选地，前表面40与中心轴线x-x成至少85
°
的角度。前表面40从入口表面38延伸到倾斜表面42。
[0060]
倾斜表面42相对于中心轴线x-x以30
°
至60
°
之间的角度延伸，并且具有沿方向i定向的轴向分量。倾斜表面42因此径向和轴向地布置在底表面44和前表面40之间。
[0061]
此外，前表面40直接邻接倾斜表面42，并且这两个表面40、42形成连接凹部48。
[0062]
倾斜表面42直接连接到底表面44。在子午线视图中，环形前表面40在连接点pr处连接到倾斜表面42，并在该位置处形成连接凹部48。该连接点pr位于距入口表面38一距离dprse处，该距离在入口表面dise的直径与底表面44的直径d之差的10％至90％之间。优选地，距离dprse在该差的40％至60％之间或者在该差的45％至55％之间。
[0063]
在子午线视图中，连接凹部48的曲率半径约为1mm，优选小于0.5mm。
[0064]
在子午线截面中，前表面40与倾斜表面42之间的角度γ小于180
°
，特别是在110
°
至160
°
之间。倾斜表面42相对于轴线x-x的倾斜角例如在30
°
至60
°
之间。
[0065]
如图5所示，底表面44还受到制造公差的限制，使得其实际直径d可以在最大直径d
最大
和最小直径d
最小
之间变化。
[0066]
注意，表面20的最大直径d
最大
小于表面38的直径dise。
[0067]
垫圈12在子午线截面中包括由柔性或弹性材料(例如弹性体)制成的弹性环60，该弹性环沿着中心轴线x-x延伸，多个锁定插入件62嵌入该弹性环中(图2)。
[0068]
弹性环60包括：实心环形垫圈主体64，该实心环形垫圈主体在锁定状态下从管状接合处朝向承窝端部的底部延伸；以及锚定珠66，该锚定珠位于承窝端部入口侧，相对于垫圈主体64径向向外突出。
[0069]
垫圈主体64具有沿轴向方向x-x从锚定珠66侧朝向远侧张开的形状。因此，在子午线横截面中，垫圈主体64是大致v形的，朝向远侧敞开。
[0070]
锚定珠66具有与锚定槽32或至少表面42、44和46的形状互补的形状，并且在安装状态下完全靠在倾斜表面42、底表面44和前表面46上。因此，锚定槽用作垫圈的锚定珠66的接纳部。
[0071]
垫圈主体64具有前表面68，在安装状态下，该前表面邻接环形前表面40。
[0072]
锚定珠66由硬度大于垫圈主体64的材料的硬度的材料制成。
[0073]
锚定珠66和垫圈主体64通过界面区域70彼此分开，在这种情况下，界面区域是具
有轴线x-x的大致圆柱形的。
[0074]
垫圈主体64例如由肖氏a硬度在50
°
肖氏至70
°
肖氏之间，优选约60
°
肖氏的弹性体制成。锚定珠66例如由肖氏a硬度在70
°
肖氏至90
°
肖氏之间，优选约80
°
肖氏的弹性体制成。
[0075]
锁定插入件62均匀地分布在弹性环60的整个圆周上，并且每个锁定插入件62由高硬度材料制成，例如硬金属合金或陶瓷。
[0076]
在子午线视图中，每个锁定插入件62包括径向外头部72和径向内脚部74。头部72相对于轴线x-x大致径向延伸，而脚部74相对于该轴线倾斜，使得脚部朝向x-x轴线会聚。因此，锁定插入件62呈现成角度的轮廓。
[0077]
每个锁定插入件62部分地嵌入垫圈主体64中，并且被垫圈主体的弹性材料部分地覆盖。
[0078]
如更具体地在图2中所示，头部72在其径向外头部和近侧包括形成止动齿76的轮廓，该止动齿适于在脚部74接合套管端部的外表面20时压入连接凹部48中。
[0079]
在远侧，头部72还包括径向突起78，该径向突起设置有沿插入方向i轴向定向的保持鼻部80，并且保持鼻部适于在套管端部插入承窝端部(图6)时经由锚定珠66压靠前表面46，从而防止插入件从锚定槽32向承窝端部的内部排出。为此，径向突起78部分地延伸到锚定珠中。
[0080]
此外，脚部74在其径向内端部包括三个接合齿，即彼此轴向偏置的第一接合齿82、第二接合齿84和第三接合齿86，这三个接合齿适于夹持套管端部4的外表面20(参见下文)，并且当垫圈处于静止状态时，这三个接合齿延伸出弹性环60。在子午线视图中，接合齿82、84、86以凸曲线延伸。此外，脚部74在远侧包括嵌入垫圈主体中的接合止动件88，该接合止动件具有限制插入件插入套管端部以不损坏套管端部的功能。在子午线视图中，接合止动件88具有相对于接合齿82、84、86的轮廓为圆形的轮廓。
[0081]
从子午线截面(图2)中可以看出，止动齿76的张角(α)在35
°
至55
°
之间，特别是在40
°
至50
°
之间，优选地在42
°
至47
°
之间。
[0082]
在子午线截面中可以看出，止动齿76的曲率半径小于1mm，优选小于0.5mm。因此，止动齿优选地具有锋利的边缘。
[0083]
止动齿76的曲率半径小于连接凹部48的曲率半径。
[0084]
止动齿76和连接凹部48具有这样的轮廓，当从侧面观察时，止动齿76仅在连接凹部48或承窝端部上的一点处按压。
[0085]
从子午线横截面中可以看出，止动齿76、第一接合齿82和径向突起78形成接合角β。该接合角是如下两条线之间的角度，一条线在第一接合齿82和止动齿76之间延伸，另一条线在第一接合齿82和径向突起78之间延伸。
[0086]
接合角β在30
°
至50
°
之间，优选在35
°
至45
°
之间。
[0087]
当在子午线横截面中观察时，第一接合齿82、止动齿76和径向突起78彼此形成邻接角δ。该邻接角δ是如下两条线之间的角度，一条线在止动齿76和径向突起78之间延伸，另一条线在止动齿76和第一接合齿82之间延伸。该邻接角在55
°
至70
°
之间，优选在60
°
至70
°
之间。
[0088]
头部72包括从止动齿76朝向中心轴线x-x径向偏置的前突起90。根据侧视图，止动齿76和第一接合齿82通过形成该前突起90的凸形轮廓连接。特别地，该轮廓包括或由两条
直线组成。替代地，该轮廓可以是直的。
[0089]
止动齿76和径向突起78在子午线截面中通过凹形轮廓连接，在这种情况下通过具有单个凹形部分的凹形轮廓连接。替代地，该轮廓是直的。
[0090]
止动齿76可以稍微嵌入垫圈中。过渡区域70可以位于止动齿76处。
[0091]
对于外表面20和底表面44之间的在允许的制造公差范围内的任何间隙，具有止动齿76的锁定插入件62配合到承窝端部的连接凹部48中，特别是当管道受到管道所携带的流体的内部压力时。
[0092]
更具体地，当表面20和44之间的间隙在由最小间隙j1(图3)和中间间隙限定的第一间隙范围内时，锁定插入件62被压入连接凹部48中，并且第一接合齿82和/或第二接合齿84夹持表面20。
[0093]
当表面20和44之间的间隙在由中间间隙和最大间隙j2(图4)限定的第二间隙范围内时，锁定插入件62被压入连接凹部48中，并且第二接合齿84和/或第三接合齿86夹持表面20。
[0094]
不管外表面20和底表面44之间的间隙如何，只要间隙在允许的制造公差范围内，在子午线视图中，反作用角ε变化很小，并且总是在20
°
至45
°
之间。该反作用角是在垂直于轴线x-x的平面和用作插入件的反作用力支撑的线之间测得的，该线将止动齿76在承窝端部上的施加点连接在接合齿在套管端部上的施加点上，或者在施加多个齿的情况下该线将止动齿在承窝端部上的施加点连接在接合齿在套管端部上的施加中点上。
[0095]
反作用角一般称为ε，在图中所示的实施例中称为ε1、ε2和ε3。
[0096]
根据本发明的组装如下进行。
[0097]
首先，将复合密封垫圈12插入承窝端部8，垫圈主体64压靠在台阶部34上，锚定珠66配合到环形锚定槽32中，使得复合密封垫圈的轴线与承窝端部的轴线重合。
[0098]
然后，套管端部4按照方向i穿过复合密封垫圈12插入，直到套管端部的倒角22接近腔36的底部。在插入套管端部期间，如图6所示，径向突起78的保持鼻部80锁定在阶梯部分34的前表面46上，从而防止插入件朝着承窝端部的内部从锚定槽32中排出。此外，在插入套管端部期间，锚定珠66在径向突起78上施加一个力，该力倾向于将插入件径向向内推动并将插入件保持在套管端部上，从而便于在加压时将插入件夹持到套管端部上。
[0099]
由比主体64更硬的弹性体材料制成的锚定珠66具有如下更广泛的功能，即，当套管端部插入到承窝端部时，锚定珠阻止复合密封垫圈12从锚定槽32排出，而由更软的弹性体材料制成的主体64更容易变形，这便于套管端部的插入。
[0100]
然后，在加压时，套管端部4被轴向拉回，导致锁定插入件62返回。锁定插入件62通过与先前的角偏转相反且幅度较小的角偏转改变锁定插入件相对于轴线x-x的倾斜度。在该逆转期间，止动齿76在连接凹部48处压靠在承窝端部上，并且齿82、84、86中的至少一个夹持套管端部4的外表面。插入件在这两个支撑件之间的过中心运动对套管端部4的持续轴向退出运动提供了相当大的阻力。这样就实现了组件的锁定。
[0101]
由相对较硬的弹性体材料制成的锚定珠66在止动齿76上施加力，该力阻止止动齿76通过沿着倾斜表面42滑动而移位，从而确保在加压期间止动齿76定位并保持在锚定槽的连接凹部48中。
[0102]
此外，在加压时，锁定插入件的径向突起78不与底表面44接触。锚定珠的在径向突
起78和底表面44之间延伸的部分然后通过在径向突起78上施加径向向内的力来充当复位弹簧，该力促进齿与套管端部的接合，并且一旦压力建立，就使插入件保持压靠在套管端部上。当锚定珠由硬弹性体材料制成时，该力甚至更大，从而便于将接合齿插入在套管端部中并使其保持就位。
[0103]
此外，参照图3和图4，根据本发明的复合密封垫圈12的操作将被描述为在压力下的流体的作用下直径d和d上的直径公差的函数。在这些图中，为了表示清楚，省略了弹性环60。
[0104]
在管道6和10的组装期间，在插入件的前述角度偏转之后，每个锁定插入件处于根据直径d和d之间存在的间隙而变化的倾斜位置。
[0105]
图3示出了在管道之间的间隙为最小间隙j1的情况下，当在加压下夹持套管端部4时锁定插入件62的位置。为此，承窝端部8包括锚定槽32，该锚定槽的直径d对应于最小直径d
最小
，而套管端部4具有其外直径d对应于最大直径d
最大
的外表面。因此，两个直径d
最小
和d
最大
限定了两个表面之间的最小间隙j1。
[0106]
可以看出，当夹持套管端部4时，并且在子午线视图中，锁定插入件62在单个点上压靠承窝端部，即止动齿76在连接凹部48中。此外，只有最靠近承窝端部入口的接合齿(即第一接合齿82)夹持套管端部的外表面20。
[0107]
锁定插入件62以反作用角倾斜，该反作用角定义如下。锁定插入件62在与连接点pr重合的点p处压靠在连接凹部48上。接合齿82在套管端部4的表面20上的施加点与点p一起限定了用作锁定插入件62的反作用力的支撑的线l。在这条线l和垂直于轴线x-x的平面之间测得的角度ε1被称为夹持的“反作用角”。
[0108]
图4示出了类似于图3的组件，但有以下不同之处。
[0109]
锚定槽32具有对应于最大直径d
最大
的直径，而套管端部的外表面20具有最小直径d
最小
，使得这两个表面之间限定出大于间隙j1的间隙j2。该间隙j2是套管端部4和承窝端部8的制造公差所允许的最大间隙。
[0110]
可以看出，在夹持套管端部4时，锁定插入件62也在单个点处夹持承窝端部，即，止动齿76在连接凹部48中。此外，只有距离承窝端部入口最远的接合齿(即第三接合齿86)夹持套管端部的外表面。
[0111]
所得到的夹持反作用角ε2在径向方向和线l之间测得，所述线l穿过与图3中的组件的点基本相同的点p，并且穿过套管端部的外表面和第三齿86之间的接触点。该角度ε2与角度ε1基本相同，因此夹持的特性与图3中的情况相似。
[0112]
图5示出了根据本发明的组件的一部分的子午线横截面图，其中，承窝端部和套管端部在它们之间限定出平均间隙j3。可以看出，在夹持套管端部4时，锁定插入件62也在单个点处压靠在承窝端部上，即，止动齿76在连接凹部48中。另外，两个近侧接合齿82、84压靠在套管端部的外表面上。
[0113]
所得到的夹持反作用角ε3是在径向方向和线l之间测得，所述线l穿过与图3和图4中的组件的点基本相同的点p，并且穿过套管端部的外表面上的在两个接合齿82、84之间大约中间的点。
[0114]
还可以看出，在这种情况下，反作用角ε3与角ε1和角ε2基本相同。
[0115]
图6是根据本发明的组件的一部分的子午线横截面图，承窝端部和套管端部被示
出为套管端部插入承窝端部中。锁定插入件62的形状以及在径向突起78和底表面44之间延伸的较硬的弹性锚定珠部分防止了图中过度的逆时针倾斜，并因此确保了在管状接头的加压期间止动齿76的正确定位。
[0116]
根据本发明，锁定插入件62经由止动齿76与连接凹部48的接触使得能够进行有效的夹持。因此，用于给定夹持力的锁定插入件的数量可以很少，从而降低复合密封垫圈的制造成本。
[0117]
对于表面20和44之间的所有允许间隙，在子午线视图中，锁定插入件20根据单个点接触压靠在连接凹部48上。
[0118]
因此，对于给定的锁定力，插入件表面、套管端部表面以及承窝端部表面的制造公差可以很大，而锁定插入件的数量可以很小。因此，根据本发明的管状接头和复合密封垫圈是经济的。